JP2023028558A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】機内空間が機外空間よりも高圧となったり低圧となったりする場合に、静止密封環を回転密封環に押し付ける力を所望の範囲で確保することを可能とする。【解決手段】メカニカルシール１０は、回転密封環１１と、静止密封環１２と、ケース１３と、を備え、回転機器７の内部の機内空間Ａ１と回転機器７の外部の機外空間Ａ２とを区画する。メカニカルシール１０は、静止密封環１２の機外空間Ａ２側とケース１３の一部との間に設けられシールされている背圧室Ｋ１と、機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とを繋ぐ接続流路４０と、を備える。接続流路４０は、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも高圧である場合に機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とを連通させ、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも低圧である場合に機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とを遮断する切り替え部４１を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、メカニカルシールに関する。

各種回転機器において、その機器ケーシングと回転軸との間で内部の流体をシールする装置として、メカニカルシールが知られている（例えば、特許文献１参照）。メカニカルシールは、回転軸と一体回転する回転密封環と、機器ケーシング側に設けられ回転密封環との間でシールするための静止密封環とを備える。

特許第３１９２１５２号公報

図５は、従来のメカニカルシールの断面図である。このメカニカルシール９０は、回転軸９９と一体回転する回転密封環９１と、回転密封環９１との間でシールするための静止密封環９２と、静止密封環９２を支持すると共に回転機器１００に取り付けられるケース９３とを備える。メカニカルシール９０は、回転機器１００の内部の機内空間Ａ１と、回転機器１００の外部の機外空間Ａ２とを区画する。

静止密封環９２の機外側（図５では左側）とケース９３の一部９３ａとの間に、背圧室Ｋ１が設けられている。背圧室Ｋ１は、静止密封環９２とケース９３との間に設けられているＯリング９４，９５によってシールされている。静止密封環９２に、機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とを繋ぐ流路９６が設けられており、機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とは同じ圧力（内圧）となる。

機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも高圧の場合、機内空間Ａ１と繋がる背圧室Ｋ１の流体圧によって、静止密封環９２を回転密封環９１に押し付けることができる。これにより、静止密封環９２と回転密封環９１との間のシール性能を確保することが可能となる。

回転機器１００の種類によっては、機内空間Ａ１の圧力が変化する。機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも高圧から低圧になる場合があり、この場合、背圧室Ｋ１も低圧となる。すると、機外空間Ａ２の流体圧（大気圧）によって、静止密封環９２を回転密封環９１から離す方向の力が生じる。メカニカルシール９０は、図示しないが、静止密封環９２を回転密封環９１に押し付けるための弾性部材（圧縮コイルばね）を備える。前記弾性部材の弾性付勢力を大きく設定すれば、機内空間Ａ１が低圧となっても、静止密封環９２を回転密封環９１に押し付ける力を確保することが可能である。しかし、機内空間Ａ１が高圧になると、静止密封環９２を回転密封環９１に押し付ける力が過大となる可能性がある。

そこで、本開示は、機内空間が機外空間よりも高圧となったり低圧となったりする場合に、静止密封環を回転密封環に押し付ける力を所望の範囲で確保することが可能となるメカニカルシールを提供することを目的とする。

（１）本開示のメカニカルシールは、回転軸と一体回転する回転密封環と、前記回転密封環との間でシールするための静止密封環と、前記静止密封環を支持すると共に回転機器に取り付けられるケースと、を備え、前記回転機器の内部の機内空間と前記回転機器の外部の機外空間とを区画するメカニカルシールであって、前記静止密封環の機外空間側と前記ケースの一部との間に設けられシールされている背圧室と、前記機内空間と前記背圧室とを繋ぐ接続流路と、を備え、前記接続流路は、前記機内空間が前記機外空間よりも高圧である場合に前記機内空間と前記背圧室とを連通させ、前記機内空間が前記機外空間よりも低圧である場合に前記機内空間と前記背圧室とを遮断する切り替え部を有する。

本開示のメカニカルシールによれば、接続流路が有する切り替え部によって、機内空間が機外空間よりも高圧である場合、機内空間と背圧室とが連通し、背圧室の流体圧によって、静止密封環を回転密封環に押し付けることが可能となる。これに対して、機内空間が機外空間よりも低圧である場合、機内空間の流体圧が背圧室に及ばず、静止密封環を回転密封環から引き離す力が作用しない。以上より、機内空間が機外空間よりも高圧となったり低圧となったりする場合でも、静止密封環を回転密封環に押し付ける力を所望の範囲で確保することが可能となる。

（２）また、前記切り替え部は、前記静止密封環に設けられていてもよいが、好ましくは、前記切り替え部は、前記ケースに設けられている。これは、静止密封環よりもケースの方が切り替え部を容易に構成することが可能なためである。

（３）また、好ましくは、前記切り替え部は、キャビティが形成されているブロック部と、前記キャビティを第一位置と第二位置との間で移動するピストンと、を有し、前記ピストンが前記第一位置にある状態で、前記キャビティの一部を通じて前記機内空間と前記背圧室とが連通し、前記ピストンが前記第二位置にある状態で、前記ピストンが前記キャビティの前記一部に存在することにより前記機内空間と前記背圧室とを遮断する。
この場合、ピストンが第一位置にあると、機内空間と背圧室とがキャビティの一部を通じて繋がり、ピストンが第二位置にあると、機内空間側と背圧室側とが遮断される。

（４）また、好ましくは、前記接続流路は、前記キャビティの前記一部である第一室と前記機内空間とを繋ぐ第一流路と、前記ピストンが前記第二位置にある状態で形成される前記キャビティの第二室と前記背圧室とを繋ぐ第二流路と、を有し、前記ブロック部に、前記第二室と前記機外空間とを連通する開放穴が設けられている。
この場合、機内空間が機外空間よりも低圧になると、機内空間と機外空間との圧力差によって、機外空間から開放穴を通じてキャビティの第二室に流体が侵入すると共に、ピストンが第一位置から第二位置に移動する。機内空間が機外空間よりも高圧になると、機内空間と機外空間との圧力差によってピストンが第二位置から第一位置に移動する。

（５）また、好ましくは、前記ピストンは、移動方向の一方側の第一端面に、前記キャビティの第一内面に部分的に接触する第一部分接触面と、前記第一内面に非接触である第一受圧面と、を有し、前記第一内面と前記第一受圧面との間に形成される第一内部空間が、前記開放穴を通じて前記機外空間と連通する。
この構成により、前記開放穴が細くても、ピストンの第一端面における受圧面積を確保することが可能となる。機内空間が機外空間よりも低圧となった場合に、機外空間と繋がる前記第一内部空間の流体圧によってピストンの推力が得られ、ピストンは移動可能となる。

（６）また、好ましくは、前記ピストンは、移動方向の他方側の第二端面に、前記キャビティの第二内面に部分的に接触する第二部分接触面と、前記第二内面に非接触である第二受圧面と、を有し、前記第二内面と前記第二受圧面との間に形成される第二内部空間が、前記第一流路を通じて前記機内空間と連通する。
この構成により、前記第一流路が細くても、ピストンの第二端面における受圧面積を確保することが可能となる。機内空間が機外空間よりも高圧となった場合に、機内空間と繋がる前記第二内部空間の流体圧によってピストンの推力が得られ、ピストンは移動可能となる。

本開示のメカニカルシールによれば、機内空間が機外空間よりも高圧となったり低圧となったりする場合に、静止密封環を回転密封環に押し付ける力を所望の範囲で確保することが可能となる。

メカニカルシールの断面図である（ピストンが第一位置にある）。 メカニカルシールの断面図である（ピストンが第二位置にある）。 図１に示す切り替え部、およびその周囲を示す拡大図である。 図２に示す切り替え部、およびその周囲を示す拡大図である。 従来のメカニカルシールの断面図である。

〔メカニカルシール全体について〕
図１は、メカニカルシール１０の断面図である。このメカニカルシール１０は、例えば撹拌機等の回転機器７に用いられる。回転機器７は、回転軸８と、その回転軸８を包囲する機器ケーシング９とを備える。メカニカルシール１０は、回転軸８と機器ケーシング９との間において、回転機器７の内部の流体をシールする。回転軸８は、回転機器７が有する図外の軸受によって回転可能に支持されている。

本開示の発明における方向について定義する。回転軸８の軸線Ｌに沿った方向及びその軸線Ｌに平行な方向を「軸方向」と定義する。その軸方向に関して、回転機器７の外部側（図１の左側）が軸方向一方側であり、これを「機外側」と称する。これに対して、回転機器７の内部側（図１の右側）が軸方向他方側であり、これを「機内側」と称する。機器ケーシング９と回転軸８との間となる回転機器７の内部の空間を「機内空間Ａ１」と称し、回転機器７の外部の空間を「機外空間Ａ２」と称する。前記軸線Ｌに直交する方向を「径方向」と定義する。前記軸線Ｌを中心とする円に沿った方向を「周方向」と定義する。つまり、回転軸８の回転方向が周方向となる。

メカニカルシール１０は、機内空間Ａ１と機外空間Ａ２とを区画する。本実施形態では、機外空間Ａ２に大気が存在していて、機外空間Ａ２は大気圧にある。機内空間Ａ１は、例えば回転機器７の運転状態によって、機外空間Ａ２（大気圧）よりも高圧となったり低圧となったりする。メカニカルシール１０は、機内空間Ａ１側の被密封流体が機外空間Ａ２側へ流出するのを防ぎ、機外空間Ａ２側のガス（大気）が機内空間Ａ１側に流入するのを防ぐ。

そのために、メカニカルシール１０は、一つの回転密封環１１と、一つの静止密封環１２とを備える。回転密封環１１と静止密封環１２との間が、被密封流体の流出および大気の流入を防ぐシール部Ｓとなる。回転密封環１１は機外側に環状のシール面１１ａを有する。静止密封環１２は機内側に、前記シール面１１ａと対向する環状のシール面１２ａを有する。シール部Ｓの径方向内側及び軸方向一方側が、機外空間Ａ２と繋がる。シール部Ｓの径方向外側及び軸方向他方側が、機内空間Ａ１と繋がる。後に説明するが、本実施形態では、対向するシール面１１ａ，１２ａ間にシールガスが供給される。

メカニカルシール１０は、回転機器７に取り付けられるケース１３を備える。ケース１３は、機器ケーシング９に取り付けられる筒状の第一ケース１４と、第一ケース１４の機外側に取り付けられる筒状の第二ケース１５とを有する。第二ケース１５は、第一ケース１４よりも内径が小さい。第二ケース１５は、径方向外側の外周部１６と、外周部１６から径方向内方に延びて設けられている内周部１７と、内周部１７の径方向内側部から機内側に延びて設けられている筒部１８とを有する。第一ケース１４と第二ケース１５との間はＯリングなどのシール部材３３によってシールされている。

メカニカルシール１０は、回転密封環１１を含む回転ユニット２１を備える。回転ユニット２１は、回転密封環１１の他に、スリーブ２２、及び円筒状の固定部材２３を有する。固定部材２３は、スリーブ２２を回転軸８と一体とするための部材である。固定部材２３は、回転軸８の一部に外嵌した状態となり、セットスクリュ２４によって回転軸８に固定される。

スリーブ２２は、円筒状であり、回転軸８の他部に外嵌して設けられている。スリーブ２２は、固定部材２３と回転軸８との間で径方向について挟まれた状態となる円筒部２２ａと、円筒部２２ａの機内側の端部から径方向に延びて設けられている円環部２２ｂとを有する。回転密封環１１は、円筒部２２ａに外嵌して設けられている。回転密封環１１は、スリーブ２２にピン等（図示せず）によって回り止めされていて、スリーブ２２と一体回転可能である。以上より、回転密封環１１は、回転軸８と一体回転する。回転密封環１１とスリーブ２２との間はＯリング２５によってシールされている。スリーブ２２と回転軸８との間はＯリング２６によってシールされている。

静止密封環１２は、環状の部材であり、回転密封環１１との間でシールするための部材である。静止密封環１２は、第二ケース１５が有する筒部１８の外周側に設けられており、ケース１３によって支持される。静止密封環１２と筒部１８との間は、Ｏリング２７によってシールされている。第二ケース１５が有する内周部１７は、機内側に突出するピン３０を有する。静止密封環１２に穴３１が設けられている。ピン３０が穴３１に挿入した状態となることで、ケース１３に対して静止密封環１２は回転不能となる。図示しないが、内周部１７と静止密封環１２との間に弾性部材が設けられている。弾性部材は、圧縮コイルばねであり、静止密封環１２を回転密封環１１に押し付ける方向の力を発生させる。

静止密封環１２にシール用流路３２が形成されている。シール用流路３２は、静止密封環１２の外周面１２ｂとシール面１２ａとを繋ぐ。静止密封環１２の外周面１２ｂと、ケース１３（第一ケース１４）の内周面１３ａとの間に、機内側のＯリング２８、および機外側のＯリング２９が設けられている。静止密封環１２の外周面１２ｂと、ケース１３の内周面１３ａとの間であって、二つのＯリング２８，２９の間に、環状の密閉空間Ｋ２が形成されている。

ケース１３（第一ケース１４）に、図示しないが、シールガス（例えば窒素ガス）が供給されるシールガス流路が設けられている。そのシールガス流路は、密閉空間Ｋ２で開口し、シールガスが密閉空間Ｋ２に供給される。密閉空間Ｋ２に供給されたシールガスは、シール用流路３２を通じて、回転密封環１１のシール面１１ａと静止密封環１２のシール面１２ａとの間、つまり、シール部Ｓに供給される。シール部Ｓに供給されたシールガスによって、シール面１１ａ，１２ａ間に静圧の流体膜が形成される。このように、本実施形態のメカニカルシール１０は、シール面１１ａ，１２ａ間を非接触状態とする非接触型のシール装置である。

静止密封環１２の機外側（機外空間Ａ２側）と、ケース１３の一部との間に、環状の背圧室Ｋ１が設けられている。背圧室Ｋ１は、静止密封環１２の外周側のＯリング２９と静止密封環１２の内周側のＯリング２７とによって、シールされている。背圧室Ｋ１は、後述する接続流路４０と繋がっているが、閉じた空間である。後に説明するが、背圧室Ｋ１の内圧が機外空間Ａ２の圧力（大気圧）よりも高くなると、背圧室Ｋ１の流体圧力によって、静止密封環１２を回転密封環１１に押し付ける推力が発生する。

静止密封環１２において、背圧室Ｋ１の内圧を受ける受圧領域は、機外空間Ａ２の圧力（大気圧）を受ける受圧領域よりも広くなっている。背圧室Ｋ１が機外空間Ａ２よりも高圧である場合、静止密封環１２を回転密封環１１に押し付ける力が作用するように、背圧室Ｋ１は構成されている。

メカニカルシール１０は、機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とを繋ぐ接続流路４０を備える。接続流路４０は、流路の状態を切り替える切り替え部４１を有する。図１に示す形態では、接続流路４０および切り替え部４１は、ケース１３に設けられている。切り替え部４１は、キャビティ４３が形成されているブロック部４２と、キャビティ４３に設けられているピストン４４とを有する。ブロック部４２は、ケース１３の一部により構成されている。具体的に説明すると、第二ケース１５の外周部１６の一部がブロック部４２であり、その一部にキャビティ４３が形成されている。

〔切り替え部４１について〕
ピストン４４は、キャビティ４３を第一位置Ｐ１と第二位置Ｐ２との間で移動する。図１および図３が、一方のストロークエンドとなる第一位置Ｐ１にピストン４４が存在する状態を示し、図２および図４が、他方のストロークエンドとなる第二位置Ｐ２にピストン４４が存在する状態を示す。図３は、図１に示す切り替え部４１、およびその周囲を示す拡大図である。図４は、図２に示す切り替え部４１、およびその周囲を示す拡大図である。図３に示すように、ピストン４４が第一位置Ｐ１にある状態で、キャビティ４３の一方側（図３では右側）に第一室Ｑ１が形成される。図４に示すように、ピストン４４が第二位置Ｐ２にある状態で、キャビティ４３の他方側（図４では左側）に第二室Ｑ２が形成される。

ピストン４４の外周に、キャビティ４３の内周面に滑り接触するシール部材（Ｏリング）４５が設けられている。シール部材４５によって、キャビティ４３が第一室Ｑ１と第二室Ｑ２とに区画される。

接続流路４０は、第一流路４６と第二流路４７とを有する。図１に示すように、第一流路４６は、キャビティ４３の一部である第一室Ｑ１と機内空間Ａ１とを繋ぐ。図２に示すように、第二流路４７は、キャビティ４３の他部である第二室Ｑ２と背圧室Ｋ１とを繋ぐ。ケース１３の一部であるブロック部４２に、第二室Ｑ２と機外空間Ａ２とを常時連通する開放穴４８が設けられている。

図３および図１に示すように、ピストン４４が第一位置Ｐ１にある状態で、第一室Ｑ１を通じて機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とが連通する。図４および図２に示すように、ピストン４４が第二位置Ｐ２にある状態で、そのピストン４４が第一室Ｑ１に存在し、第一流路４６を塞ぐ。これにより、機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１との間の流路が、ピストン４４によって遮断される。

ピストン４４の移動は、機内空間Ａ１と機外空間Ａ２との圧力差によって自動的に行われる。以下、そのメカニズムについて説明する。前記のとおり、機外空間Ａ２は、大気環境にあり、大気圧でほぼ一定である。機内空間Ａ１は、回転機器７の運転状態によって、機外空間Ａ２よりも高圧（大気圧に対して正圧）となったり低圧（大気圧に対して負圧）となったりする。

機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも高圧となる場合、機内空間Ａ１の流体圧が、第一流路４６を通じて、キャビティ４３の第一室Ｑ１に作用し、ピストン４４を第一位置Ｐ１側に向かって押す。ピストン４４が第二位置Ｐ２に存在する場合であっても、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも高圧になると、機内空間Ａ１と機外空間Ａ２との圧力差によってピストン４４が第二位置Ｐ２から第一位置Ｐ１に自動的に移動する。ピストン４４の第一端面５１の一部が、キャビティ４３の第一内面５６に接触し、ピストン４４は第一位置Ｐ１で停止する（図３参照）。

この状態で、機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とが、第一流路４６、第一室Ｑ１、および第二流路４７を通じて連通する。すると、背圧室Ｋ１が機内空間Ａ１と同じ圧力（大気圧に対して正圧）となる。その結果、背圧室Ｋ１の流体圧によって静止密封環１２を回転密封環１１に押し付ける方向の力が作用する。機内空間Ａ１の圧力に応じて前記押し付ける方向の力が変化し、機内空間Ａ１の圧力が高くなるほど、前記押し付ける方向の力が大きくなる。

機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも低圧となる場合、つまり、機内空間Ａ１が大気圧に対して負圧に変化した場合、キャビティ４３の第一室Ｑ１も低圧（負圧）となる。すると、機外空間Ａ２の流体圧（大気圧）が、開放穴４８を通じて、第二室Ｑ２に作用し、ピストン４４を第二位置Ｐ２側に向かって押す。ピストン４４が第一位置Ｐ１に存在する場合であっても、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも低圧になると、機内空間Ａ１と機外空間Ａ２との圧力差によって、機外空間Ａ２から開放穴４８を通じて第二室Ｑ２に流体（大気）が侵入すると共に、ピストン４４が第一位置Ｐ１から第二位置Ｐ２に自動的に移動する。ピストン４４の第二端面５２の一部が、キャビティ４３の第二内面５７に接触し、ピストン４４は第二位置Ｐ２で停止する（図４参照）。

これにより、機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１との間の流路がピストン４４によって遮断される。さらに、機外空間Ａ２と背圧室Ｋ１とが、開放穴４８、第二室Ｑ２、および第二流路４７を通じて連通する。すると、背圧室Ｋ１が機外空間Ａ２と同じ圧力（大気圧）になる。その結果、大気圧である機外空間Ａ２および背圧室Ｋ１よりも、機内空間Ａ１は低圧であり、背圧室Ｋ１の流体圧（大気圧）によって静止密封環１２を回転密封環１１に押し付ける方向の力が作用する。

以上のように、ピストン４４を含んで構成される切り替え部４１は、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも高圧である場合に、機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とを連通させ、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも低圧である場合に、機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とを遮断する。
なお、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも高圧となる場合であっても低圧となる場合であっても、静止密封環１２には前記弾性部材（図示せず）によって回転密封環１１側に対して押し付ける力が付与されている。

キャビティ４３に繋がる開放穴４８および第一流路４６それぞれは、キャビティ４３よりも流路断面積が小さい。開放穴４８および第一流路４６が細くても、ピストン４４の受圧面積を確保するために、本実施形態のメカニカルシール１０は、次の第一構成Ｆ１および第二構成Ｆ２を備える。

第一構成Ｆ１として（図３参照）、ピストン４４は、機外側となる移動方向の一方側の第一端面５１に、第一部分接触面６１と、第一受圧面６２とを有する。第一部分接触面６１は、第一端面５１の中央から突出する突起５１ａの先端面により構成されている。第一受圧面６２は、第一端面５１のうち突起５１ａ以外の面により構成されていて、第一部分接触面６１よりも広く設定されている。第一部分接触面６１は、キャビティ４３の第一内面５６に部分的に接触可能となる。第一受圧面６２は、第一内面５６に非接触となる。ピストン４４が第一位置Ｐ１にある状態で、第一内面５６と第一受圧面６２との間に環状となる第一内部空間５３形成される。第一内部空間５３が、開放穴４８を通じて機外空間Ａ２と連通する。

この構成により、開放穴４８が細くても、ピストン４４の第一端面５１における受圧面積を確保することが可能となる。このため、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも低圧となった場合に、機外空間Ａ２と繋がる第一内部空間５３の流体圧（大気圧）によってピストン４４の推力が得られ、ピストン４４は第一位置Ｐ１から第二位置Ｐ２に移動可能となる。

第二構成Ｆ２について説明する（図４参照）。キャビティ４３の第二内面５７に凹部６５が形成されている。凹部６５は、キャビティ４３に向かって開口すると共に、第一流路４６と繋がる。キャビティ４３に対する凹部６５の開口面積は、キャビティ４３の断面積、およびピストン４４の第二端面５２よりも小さい。凹部６５に対する第一流路４６の開口面積は、凹部６５の断面積よりも小さい。

ピストン４４は、機内側となる移動方向の他方側の第二端面５２に、第二部分接触面６３と、第二受圧面６４とを有する。第二部分接触面６３は、キャビティ４３の第二内面５７に部分的に接触する面である。図４に示す形態では、第二部分接触面６３は、第二端面５２の一部である環状の外周部により構成されている。第二受圧面６４は、第二内面５７に非接触となる面であり、第二端面５２の残りの他部である中央部により構成されている。第二受圧面６４は、第二部分接触面６３よりも広く設定されている。ピストン４４が第二位置にある状態で、第二内面５７の凹部６５と第二受圧面６４との間に第二内部空間５４が形成される。第二内部空間５４が、第一流路４６を通じて機内空間Ａ１（図２参照）と連通する。

この構成により、第一流路４６が細くても、ピストン４４の第二端面５２における受圧面積を確保することが可能となる。このため、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも高圧となった場合に、機内空間Ａ１と繋がる第二内部空間５４の流体圧によってピストン４４の推力が得られ、ピストン４４は第二位置Ｐ２から第一位置Ｐ１に移動可能となる。ピストン４４の移動の際、第二室Ｑ２の気体（大気）は、開放穴４８を通じて機外空間Ａ２に排出される。

前記のような第一構成Ｆ１および第二構成Ｆ２に関して、機内側と機外側とで構成が反対であってもよい。つまり、機内側に第一構成Ｆ１が設けられ、機外側に第二構成Ｆ２が設けられていてもよい。また、第一構成Ｆ１および第二構成Ｆ２に関する別の変形例として、機内側と機外側とが同じ構成であってもよい。さらに別の変形例として、ピストン４４の受圧面積を確保するために、キャビティ４３に開口する凹部６５を設ける代わりに、ピストン４４の端面に凹部を設けたり、ピストン４４の端面に突起５１ａを設ける代わりに、キャビティ４３の内面に突起を設けてもよい。

〔本実施形態のメカニカルシール１０について〕
以上のように、図１および図２に示す本実施形態のメカニカルシール１０は、回転軸８と一体回転する回転密封環１１と、回転密封環１１との間でシールするための静止密封環１２と、静止密封環１２を支持すると共に回転機器７に取り付けられるケース１３とを備える。メカニカルシール１０は、背圧室Ｋ１、および機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とを繋ぐ接続流路４０を備える。背圧室Ｋ１は、静止密封環１２の機外側と、ケース１３の一部である第二ケース１５の内周部１７との間に設けられており、Ｏリング２７，２９によってシールされている空間である。接続流路４０は、切り替え部４１を有する。切り替え部４１は、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも高圧である場合に機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とを連通させ、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも低圧である場合に機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とを遮断する。

このメカニカルシール１０によれば、切り替え部４１によって、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも高圧である場合、機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とが連通し、背圧室Ｋ１の流体圧によって、静止密封環１２を回転密封環１１に押し付けることが可能となる。これに対して、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも低圧である場合、機内空間Ａ１の流体圧が背圧室Ｋ１に及ばず、従来の構成では生じる静止密封環１２を回転密封環１１から引き離す力が作用しない。背圧室Ｋ１が機外空間Ａ２と同じ圧力（大気圧）となり、静止密封環１２を回転密封環１１に押し付けることが可能となる。以上より、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも高圧となったり低圧となったりする場合でも、静止密封環１２を回転密封環１１に押し付ける力を所望の範囲で確保することが可能となる。

図１に示す形態では、切り替え部４１はケース１３に設けられている。このため、切り替え部４１の形成が比較的容易となり、また、既に設計されているメカニカルシールに対しても追加的に切り替え部４１を適用することが容易である。

切り替え部４１は、キャビティ４３が形成されているブロック部４２と、キャビティ４３を第一位置Ｐ１と第二位置Ｐ２との間で移動するピストン４４とを有する。ピストン４４が第一位置Ｐ１にある状態で（図１および図３参照）、キャビティ４３の一部（第一室Ｑ１）を通じて機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とが連通する。ピストン４４が第二位置Ｐ２にある状態で（図２および図４参照）、ピストン４４がキャビティ４３の前記一部（第一室Ｑ１）に存在することにより、機内空間Ａ１と背圧室Ｋ１とをピストン４４が遮断する。

接続流路４０は、キャビティ４３の第一室Ｑ１と機内空間Ａ１とを繋ぐ第一流路４６と、キャビティ４３の第二室Ｑ２と背圧室Ｋ１とを繋ぐ第二流路４７とを有する。キャビティ４３が設けられているブロック部４２に、第二室Ｑ２と機外空間Ａ２とを連通する開放穴４８が設けられている。

この構成により、機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも低圧になると、機内空間Ａ１と機外空間Ａ２との圧力差によって、機外空間Ａ２から開放穴４８を通じてキャビティ４３の第二室Ｑ２に流体（大気）が侵入すると共に、ピストン４４が第一位置Ｐ１から第二位置Ｐ２に、自動的に移動する。機内空間Ａ１が機外空間Ａ２よりも高圧になると、機内空間Ａ１と機外空間Ａ２との圧力差によってピストン４４が第二位置Ｐ２から第一位置Ｐ１に、自動的に移動する。

〔その他〕
切り替え部４１は、図示する構成以外であってもよい。切り替え部４１は、例えば、マニホールドバルブ、またはチェックバルブなどを用いて構成されていてもよい。
図１に示す形態では、接続流路４０の全体がケース１３内に設けられているが、その一部が、配管により構成されていて、ケース１３外に設けられていてもよい。また、切り替え部４１（キャビティ４３が形成されているブロック部４２）もケース１３と別に設けられていてもよい。

前記実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の権利範囲は、前記実施形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲に記載された構成と均等の範囲内でのすべての変更を含む。

７ 回転機器
８ 回転軸
１０ メカニカルシール
１１ 回転密封環
１２ 静止密封環
１３ ケース
４０ 接続流路
４１ 切り替え部
４２ ブロック部
４３ キャビティ
４４ ピストン
４６ 第一流路
４７ 第二流路
４８ 開放穴
５１ 第一端面
５２ 第二端面
５３ 第一内部空間
５４ 第二内部空間
５６ 第一内面
５７ 第二内面
６１ 第一部分接触面
６２ 第一受圧面
６３ 第二部分接触面
６４ 第二受圧面
Ａ１ 機内空間
Ａ２ 機外空間
Ｋ１ 背圧室
Ｐ１ 第一位置
Ｐ２ 第二位置
Ｑ１ 第一室
Ｑ２ 第二室

Claims (6)

1. 回転軸と一体回転する回転密封環と、前記回転密封環との間でシールするための静止密封環と、前記静止密封環を支持すると共に回転機器に取り付けられるケースと、を備え、前記回転機器の内部の機内空間と前記回転機器の外部の機外空間とを区画するメカニカルシールであって、
   前記静止密封環の機外空間側と前記ケースの一部との間に設けられシールされている背圧室と、
   前記機内空間と前記背圧室とを繋ぐ接続流路と、
   を備え、
   前記接続流路は、前記機内空間が前記機外空間よりも高圧である場合に前記機内空間と前記背圧室とを連通させ、前記機内空間が前記機外空間よりも低圧である場合に前記機内空間と前記背圧室とを遮断する切り替え部を有する、
   メカニカルシール。
2. 前記切り替え部は、前記ケースに設けられている、請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記切り替え部は、キャビティが形成されているブロック部と、前記キャビティを第一位置と第二位置との間で移動するピストンと、を有し、
   前記ピストンが前記第一位置にある状態で、前記キャビティの一部を通じて前記機内空間と前記背圧室とが連通し、
   前記ピストンが前記第二位置にある状態で、前記ピストンが前記キャビティの前記一部に存在することにより前記機内空間と前記背圧室とを遮断する、
   請求項１または請求項２に記載のメカニカルシール。
4. 前記接続流路は、前記キャビティの前記一部である第一室と前記機内空間とを繋ぐ第一流路と、前記ピストンが前記第二位置にある状態で形成される前記キャビティの第二室と前記背圧室とを繋ぐ第二流路と、を有し、
   前記ブロック部に、前記第二室と前記機外空間とを連通する開放穴が設けられている、
   請求項３に記載のメカニカルシール。
5. 前記ピストンは、移動方向の一方側の第一端面に、前記キャビティの第一内面に部分的に接触する第一部分接触面と、前記第一内面に非接触である第一受圧面と、を有し、
   前記第一内面と前記第一受圧面との間に形成される第一内部空間が、前記開放穴を通じて前記機外空間と連通する、請求項４に記載のメカニカルシール。
6. 前記ピストンは、移動方向の他方側の第二端面に、前記キャビティの第二内面に部分的に接触する第二部分接触面と、前記第二内面に非接触である第二受圧面と、を有し、
   前記第二内面と前記第二受圧面との間に形成される第二内部空間が、前記第一流路を通じて前記機内空間と連通する、請求項４または請求項５に記載のメカニカルシール。

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